CN102120292B - 一种高温合金薄壁件裂纹真空钎焊修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于焊接技术，涉及对高温合金薄壁件裂纹焊接修复的改进。其特征在于，修复的步骤如下：电解加工；清洗；加工修复镶块；定位修复镶块；粉末填充；预加热；高温烧结；钎焊准备；钎焊；型面加工。本发明的适用面广，既适用于低Al、Ti含量高温合金薄壁件、又适用于高Al、Ti含量高温合金薄壁件的裂纹修复，解决了国内高温合金薄壁件的裂纹修复难题。

Description

一种高温合金薄壁件裂纹真空钎焊修复方法

技术领域

本发明属于焊接技术，涉及对高温合金薄壁件裂纹焊接修复的改进。

背景技术

航空发动机和工业燃气轮机涡轮叶片等热端部件通常采用高温力学性能和高温抗氧化、抗腐蚀性能优异的镍基、钴基合金制造，并采用复杂型面和冷却结构设计。但是恶劣的工作环境还是经常导致这些高温合金部件在使用过程中产生裂纹缺陷。由于新件制造工艺复杂，生产成本高，因此对受损部件进行修复具有非常高的经济价值。然而，由于缺乏适合的修理方法，目前许多高温合金部件裂纹一旦超过允许使用标准就只能报废处理。

采用焊接方法修复高温合金部件是可行的途径之一。目前已经开发了一些焊接修理方法并应用于特定高温合金部件的修复，主要分为熔焊和固相焊两类，其中熔焊包括钨极氩弧焊、微束等离子焊、激光熔覆等，固相焊包括真空状态下的常规钎焊、扩散钎焊和大间隙钎焊。

高温合金部件长期在高温燃气腐蚀条件下工作，其形成的裂纹表面通常被Cr、Al、Ti等元素的氧化物所覆盖，并含有积碳等杂质，这些氧化物和杂质如不彻底清除，将严重影响后续的焊接修复。目前常用的裂纹清理方法主要分为化学法、热处理法、热化学法和机械法四类，其中化学法包括碱洗、盐浴，热处理法包括氢清洗、真空清洗，热化学法包括氟离子清洗、氟碳清洗，机械法包括机械打磨、喷沙。

针对具体高温合金部件损伤缺陷的焊接修复技术，通常是对上述不同裂纹清理方法和不同焊接修复方法的优化组合。

现有裂纹清理技术的情况是：

采用碱洗、盐浴方法进行裂纹清理，能够去除Cr的氧化物和部分Al、Ti氧化物，但效果不理想，对环境不友好，因此目前碱洗主要用于高温合金部件的表面脱脂、积炭和部分氧化物去除，盐浴已不再使用。

采用氢清洗、真空清洗方法进行裂纹清理，能够去除Cr的氧化物，但无法去除裂纹内Al、Ti的氧化物，因此主要用于钴基合金部件、低Al、Ti含量的镍基合金部件的裂纹清理和表面准备；而对于高Al、Ti含量的镍基合金部件的裂纹清理效果不好。

采用氟离子清洗、氟碳清洗方法进行裂纹清理，能够有效去除高温合金部件表面和裂纹内的Cr、Al、Ti的氧化物，因此目前广泛用于高温合金部件表面涂层的去除和裂纹内的Cr、Al、Ti氧化物清理。但是由于国内缺乏氟离子清洗、氟碳清洗设备，所以此种裂纹清理方法在国内没有应用。而且此种裂纹清理方法存在环保隐患。

采用机械打磨、喷砂方法进行裂纹清理，机械打磨能有效去除高温合金部件表面和裂纹内的Cr、Al、Ti的氧化物，但打磨尺寸不规范，喷砂可去除表面氧化物，因此通常用于高温合金部件的表面清理。

现有焊接修复方法的情况是：

采用钨极氩弧焊修复高温合金部件，由于热输入大，在焊接过程中高温合金部件容易产生变形。微束等离子焊能够减小高温合金部件的焊接变形，但也无法消除变形。同时，对于那些高Al、Ti含量的铸造高温合金部件，无论是钨极氩弧焊还是微束等离子焊，在焊接接头都易形成裂纹，且接头力学性能明显低于母材，因此钨极氩弧焊、微束等离子焊只能用于对焊接变形不敏感的，特定高温合金材料部件的低应力区损伤修复。激光熔覆可有效降低焊接变形，但高温合金材料激光熔覆接头力学性能低，且很难适应部件裂纹位置随机出现的特点，因此也只能用于特定结构的高温合金部件的低应力区损伤修复。

常规真空钎焊方法也只能用于特定结构的高温合金部件低应力区的损伤修复，这主要由以下原因所致：1)为使钎料通过毛细作用填充间隙，钎焊间隙必须小于0.1mm；2)钎焊接头力学性能远低于母材，这极大限制了真空钎焊方法在高温合金部件修复方面的应用。

扩散钎焊是对常规真空钎焊方法的改进。由于采用与母材成分相近的钎料，扩散钎焊接头强度在理想情况下可以接近母材。然而要达到该强度水平，且保证钎焊时间在工程应用可以接受的范围内，那么钎焊间隙就要非常小，如此小的间隙在高温合金部件修复时很难满足。

为适应高温合金部件修复时间隙通常较大的情况(通常大于0.1mm)，开发了大间隙钎焊(U.S.Patent No.3155491，4381944，4008844)工艺。大间隙钎焊使用高熔点合金粉末和钎焊合金粉末的混合物作为间隙填充材料，其中高熔点合金粉末的成分与被修复的高温合金部件材料一致或相近，而钎焊合金粉末成分通常也与高温合金部件材料相近，但含有一定的B、Si降低熔点元素。为保证钎焊合金的流动性和减少接头孔洞，通常钎焊合金粉末占混合物的40％以上，因此形成了以钎焊合金为基体的分布有高熔点合金颗粒的不均匀钎焊接头组织。长时间的扩散热处理也很难实现组织均匀化。由于大间隙钎焊接头中存在大量的B、Si降低熔点元素，致使接头强度通常大大低于母材强度。

现有的高温合金薄壁件裂纹焊接修复方法的专利情况是：在一些工艺中利用氟离子(U.S.Patent No.4098450)或氢气(U.S.PatentNo.2005/0126593A1)在高温下与裂纹表面的氧化物反应使之去除，然后以低熔点钎料或低熔点钎料与高熔点合金粉的混合物为裂纹填充材料，通过钎焊或扩散钎焊的方法使液态钎料填充裂纹间隙形成钎焊接头，从而完成修复。这种方法存在的主要问题是裂纹清理的充分性，即氧化物是否能够彻底清除。由于裂纹清理程度很难检测，一旦裂纹清理不彻底，形成的钎焊接头中将存在未焊合缺陷，导致接头性能下降，不能满足使用要求。在一些工艺中采用机械打磨方法(U.S.Patent No.4008844/4910098)去除裂纹及其周围部分金属并形成坡口，然后以低熔点钎料与高熔点合金粉的混合物，或者是由该混合物烧结成的预成型件，为坡口填充材料，通过大间隙钎焊方法完成修复。这种方法存在的主要问题是机械打磨形成的坡口尺寸不规范，间隙远远大于0.1mm，必须采用大间隙钎焊方法修复。大量低熔点钎料的使用致使修复部位力学性能显著下降，即使通过扩散热处理使接头组织更趋均匀，但是接头中降低熔点元素B和Si的平均水平仍远高于母材，致使接头性能难以满足使用要求。

发明内容

本发明的目的是：提出一种既适用于低Al、Ti含量高温合金薄壁件、又适用于高Al、Ti含量高温合金薄壁件的裂纹真空钎焊修复方法，以解决国内高温合金薄壁件的裂纹修复难题。

本发明的技术方案是：一种高温合金薄壁件裂纹真空钎焊修复方法，其特征在于，修复的步骤如下：

1、电解加工：采用电解加工方法将高温合金薄壁件裂纹周围部分的金属去除，形成涵盖裂纹的、贯通高温合金薄壁件壁厚的矩形或圆形的修复槽或修复孔；

2、清洗：将电解加工后的高温合金薄壁件置于装有清水或丙酮或酒精的超声波清洗机中清洗30min～60min，然后放入烘箱中在100℃～150℃温度下保温30min～60min；

3、加工修复镶块：采用与高温合金薄壁件相同或相近的材料制造修复镶块，修复镶块的形状和尺寸与高温合金薄壁件上的修复槽或修复孔相适应，将修复镶块嵌入修复槽或修复孔后，其配合间隙应小于0.1mm，修复镶块的厚度大于修复槽或修复孔处高温合金薄壁件的壁厚；

4、定位修复镶块：将修复镶块嵌入高温合金薄壁件的修复槽或修复孔中，通过点焊将修复镶块定位；

5、粉末填充：用-325目的混合有粘结剂的合金粉末填充修复镶块与修复槽或修复孔之间的间隙，合金粉末的材料与高温合金薄壁件相同或相近，粘结剂采用市售的Wall Colmonoy公司的Nicrobraz 500Cement，粘结剂与合金粉末的重量比为1∶19～1∶4；

6、预加热：将高温合金薄壁件送入100℃～250℃的烘箱中加热15min～120min；

7、高温烧结：将高温合金薄壁件送入真空炉中进行热处理，加热温度1050℃～1260℃，保温时间15min～120min，使高温合金薄壁件待修部位的合金粉末烧结为与修复镶块和修复槽或修复孔连接的有多孔特征的合金粉末烧结体；

8、钎焊准备：在合金粉末烧结体和修复镶块上放置成分与高温合金薄壁件材料相近的、混合有粘结剂的粉末钎料，为防止液态钎料漫流，在合金粉末烧结体周围的高温合金薄壁件表面涂覆市售的止焊剂，止焊剂是Vitta 1A1Braz-stop；

9、钎焊：将高温合金薄壁件送入真空炉中进行真空钎焊和扩散热处理，钎焊温度1050℃～1260℃，保温时间30min～180min；随后进行扩散热处理，扩散热处理温度900℃～1260℃，保温时间30min～240min，随炉冷却或者充氩气冷却到室温；

10、型面加工：对钎焊后的高温合金薄壁件的修复部位进行机械打磨加工，使修复部位的型面尺寸恢复为修复前的型面尺寸。

本发明的优点是：适用面广，既适用于低Al、Ti含量高温合金薄壁件、又适用于高Al、Ti含量高温合金薄壁件的裂纹修复，解决了国内高温合金薄壁件的裂纹修复难题。

具体实施方式

下面对本发明做进一步详细说明。一种高温合金薄壁件裂纹真空钎焊修复方法，其特征在于，修复的步骤如下：

1、电解加工：采用电解加工方法将高温合金薄壁件裂纹周围部分的金属去除，形成涵盖裂纹的、贯通高温合金薄壁件壁厚的矩形或圆形的修复槽或修复孔；

2、清洗：将电解加工后的高温合金薄壁件置于装有清水或丙酮或酒精的超声波清洗机中清洗30min～60min，然后放入烘箱中在100℃～150℃温度下保温30min～60min；

3、加工修复镶块：采用与高温合金薄壁件相同或相近的材料制造修复镶块，修复镶块的形状和尺寸与高温合金薄壁件上的修复槽或修复孔相适应，将修复镶块嵌入修复槽或修复孔后，其配合间隙应小于0.1mm，修复镶块的厚度大于修复槽或修复孔处高温合金薄壁件的壁厚；

4、定位修复镶块：将修复镶块嵌入高温合金薄壁件的修复槽或修复孔中，通过点焊将修复镶块定位；

5、粉末填充：用-325目的混合有粘结剂的合金粉末填充修复镶块与修复槽或修复孔之间的间隙，合金粉末的材料与高温合金薄壁件相同或相近，粘结剂采用市售的美国Wall Colmonoy公司的Nicrobraz 500Cement，粘结剂与合金粉末的重量比为1∶19～1∶4；

6、预加热：将高温合金薄壁件送入100℃～250℃的烘箱中加热15min～120min；

7、高温烧结：将高温合金薄壁件送入真空炉中进行热处理，加热温度1050℃～1260℃，保温时间15min～120min，使高温合金薄壁件待修部位的合金粉末烧结为与修复镶块和修复槽或修复孔连接的有多孔特征的合金粉末烧结体；

8、钎焊准备：在合金粉末烧结体和修复镶块上放置成分与高温合金薄壁件材料相近的、混合有粘结剂的粉末钎料，为防止液态钎料漫流，在合金粉末烧结体周围的高温合金薄壁件表面涂覆市售的止焊剂，止焊剂是美国Vitta公司的Vitta 1A1 Braz-stop；

9、钎焊：将高温合金薄壁件送入真空炉中进行真空钎焊和扩散热处理，钎焊温度1050℃～1260℃，保温时间30min～180min；随后进行扩散热处理，扩散热处理温度900℃～1260℃，保温时间30min～240min，随炉冷却或者充氩气冷却到室温；

10、型面加工：对钎焊后的高温合金薄壁件的修复部位进行机械打磨加工，使修复部位的型面尺寸恢复为修复前的型面尺寸。

本发明的工作原理是：

由于电解加工后的加工表面不产生再铸层和微裂纹，基体不发生晶间腐蚀，且对基体性能无影响，因此采用电解加工方法去除裂纹及其周围部分金属，可彻底去除裂纹内的氧化物，加工表面满足钎焊要求，且加工后形成的修复槽或修复孔尺寸规范，可有效降低修复镶块加工配合的难度；采用与高温合金薄壁件材料成分相同或相近的修复镶块、合金粉末填充修复槽或修复孔，通过高温烧结使合金粉末烧结为与修复镶块和修复槽或修复孔连接的有多孔特征的合金粉末烧结体；通过在合金粉末烧结体和修复镶块上预置成分与高温合金薄壁件材料相近的粉末钎料并加热焊接，液态钎料通过毛细作用润湿填充合金粉末烧结体的空隙并形成致密的钎焊接头，同时由于最大限度地减少了钎焊接头中粉末钎料所占的比重，因此有效提高了钎焊接头的力学性能，从而实现高温合金部件的高质量钎焊修复。

实施例1

某薄壁件由K24合金精密铸造而成，厚3mm。在薄壁件中部存在一长约8mm的穿透性裂纹。K24合金主要成分为：C(0.14～0.20)；Cr(8.5～10.5)；Co(12.0～15.0)；W(1.0～1.8)；Mo(2.7～3.4)；Al(5.0～5.7)；Ti(4.2～4.7)；Nb(0.5～1.0)；Ni余量。修复过程如下：首先，采用电解加工方法将薄壁件裂纹周围部分的金属去除，形成涵盖裂纹且贯通的Φ10mm的圆形修复孔，尺寸误差为±0.1mm，采用机械打磨方法去除修复孔周围表面氧化物至呈金属光泽。将零件置于装有清水的超声波清洗机中清洗60min后放入烘箱干燥30min。加工一Φ10×5mm的K24合金修复镶块，置入修复孔并电阻点焊定位，点焊电流30A。在修复孔与修复镶块的间隙添加-325目的Mar-M247合金粉并用市售的Nicrobraz 500Cement粘结剂固定，保证合金粉末颗粒紧密堆积，粘结剂与合金粉末的重量比为1∶10。将装配好的零件在真空烧结炉中升温至1210℃保温30min，使合金粉末烧结为与修复镶块和修复孔连接的有多孔特征的合金粉末烧结体。将AMDRY DF3粉末钎料置于合金粉末烧结体和修复镶块上，并用上述粘结剂固定，周围涂覆市售的Vitta 1A1 Braz-stop止焊剂。将零件放入真空炉中进行钎焊和热处理，钎焊温度1210℃，保温210min，随炉冷却至1000℃后充氩气冷至室温。

实施例2

某薄壁件由K640合金精密铸造而成，厚3mm。在薄壁件中部存在一长约8mm的穿透性裂纹。K640合金主要成分为：C(0.45～0.55)；Cr(24.5～26.5)；Ni(9.5～11.0)；W(7.0～8.0)；Co余量。修复过程如下：首先，采用电解加工方法将薄壁件裂纹周围部分的金属去除，形成涵盖裂纹且贯通的Φ10mm的圆形修复孔，尺寸误差为±0.1mm，采用机械打磨方法去除修复孔周围表面氧化物至呈金属光泽。将零件置于装有清水的超声波清洗机中清洗60min后放入烘箱干燥30min。加工一Φ10×5mm的K640合金修复镶块，置入修复孔并电阻点焊定位，点焊电流30A。在修复孔与修复镶块的间隙添加-325目的Mar-M509合金粉并用市售的Nicrobraz 500Cement粘结剂固定，保证合金粉末颗粒紧密堆积，粘结剂与合金粉末的重量比为1∶10。将装配好的零件在真空烧结炉中升温至1210℃保温30min，使合金粉末烧结为与修复镶块和修复孔连接的有多孔特征的合金粉末烧结体。将Mar-M509B粉末钎料置于合金粉末烧结体和修复镶块上，并用上述粘结剂固定，周围涂覆市售的Vitta 1A1Braz-stop止焊剂。将零件放入真空炉中进行钎焊和热处理，钎焊温度1210℃，保温120min，随炉冷却至室温。

实施例3

某涡轮导向叶片由K403合金精密铸造而成。在叶片排气边冷却孔位置存在一长约9mm的穿透性裂纹，裂纹终端壁厚不大于3mm。K403合金主要成分为：C(0.11～0.18)；Cr(10.0～12.0)；Co(4.5～6.0)；W(4.8～5.5)；Mo(3.8～4.5)；Al(5.3～5.9)；Ti(2.3～2.9)；Ni余量。修复过程如下：首先，采用电解加工方法将叶片裂纹周围部分的金属去除，形成涵盖裂纹且贯通的3×10mm的修复槽，尺寸误差为±0.1mm，采用机械打磨方法去除修复槽周围表面氧化物至呈金属光泽。将零件置于装有清水的超声波清洗机中清洗60min后放入烘箱干燥30min。加工3×12×4mm的K403合金修复镶块，置入修复槽并电阻点焊定位，点焊电流30A。在修复槽与修复镶块的间隙添加-325目的Mar-M247合金粉并用市售的Nicrobraz 500Cement粘结剂固定，保证粉末颗粒呈紧密堆积，粘结剂与合金粉末的重量比为1∶10。将装配好的零件在真空烧结炉中升温至1210℃保温30min，使合金粉末烧结为与修复镶块和修复槽连接的有多孔特征的合金粉末烧结体。将AMDRY775粉末钎料置于合金粉末烧结体和修复镶块上，并用上述粘结剂固定，周围涂覆市售的Vitta1A1 Braz-stop止焊剂。将零件放入真空炉中进行钎焊和热处理，钎焊温度1210℃，保温210min，随炉冷却至1000℃后充氩气冷至室温。对焊后的涡轮导向叶片，采用机械打磨方法恢复修复部位原有型面尺寸。

Claims (1)

1.一种高温合金薄壁件裂纹真空钎焊修复方法，其特征在于，修复的步骤如下：

1.1、电解加工：采用电解加工方法将高温合金薄壁件裂纹周围部分的金属去除，形成涵盖裂纹的、贯通高温合金薄壁件壁厚的矩形或圆形的修复槽或修复孔；

1.2、清洗：将电解加工后的高温合金薄壁件置于装有清水或丙酮或酒精的超声波清洗机中清洗30min～60min，然后放入烘箱中在100℃～150℃温度下保温30min～60min；

1.3、加工修复镶块：采用与高温合金薄壁件相同或相近的材料制造修复镶块，修复镶块的形状和尺寸与高温合金薄壁件上的修复槽或修复孔相适应，将修复镶块嵌入修复槽或修复孔后，其配合间隙应小于0.1mm，修复镶块的厚度大于修复槽或修复孔处高温合金薄壁件的壁厚；

1.4、定位修复镶块：将修复镶块嵌入高温合金薄壁件的修复槽或修复孔中，通过点焊将修复镶块定位；

1.5、粉末填充：用-325目的混合有粘结剂的合金粉末填充修复镶块与修复槽或修复孔之间的间隙，合金粉末的材料与高温合金薄壁件相同或相近，粘结剂采用市售的Wall Colmonoy公司的Nicrobraz 500Cement，粘结剂与合金粉末的重量比为1∶19～1∶4

1.6、预加热：将高温合金薄壁件送入100℃～250℃的烘箱中加热15min～120min；

1.7、高温烧结：将高温合金薄壁件送入真空炉中进行热处理，加热温度1050℃～1260℃，保温时间15min～120min，使高温合金薄壁件待修部位的合金粉末烧结为与修复镶块和修复槽或修复孔连接的有多孔特征的合金粉末烧结体；

1.8、钎焊准备：在合金粉末烧结体和修复镶块上放置成分与高温合金薄壁件材料相近的、混合有粘结剂的粉末钎料，为防止液态钎料漫流，在合金粉末烧结体周围的高温合金薄壁件表面涂覆市售的止焊剂，止焊剂是Vitta1A1 Braz-stop；

1.9、钎焊：将高温合金薄壁件送入真空炉中进行真空钎焊和扩散热处理，钎焊温度1050℃～1260℃，保温时间30min～180min；随后进行扩散热处理，扩散热处理温度900℃～1260℃，保温时间30min～240min，随炉冷却或者充氩气冷却到室温；

1.10、型面加工：对钎焊后的高温合金薄壁件的修复部位进行机械打磨加工，使修复部位的型面尺寸恢复为修复前的型面尺寸。